การค้นพบ คลื่นความโน้มถ่วง ในปี 2016 ทำให้สามนักวิทยาศาสตร์จาก the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory หรือ LIGO ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปีต่อมา
การค้นพบที่สร้างความสนใจจากนักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ทั่วโลกนี้ เป็นการทำงานร่วมกันของนักวิจัยมากกว่า 1000 คน จาก 20 กว่าประเทศทั่วโลก โดยนักวิทยาศาสตร์ไทย 2 คน ที่เข้าร่วมโครงการนี้ คือ ดร. ธารา เฉลิมทรงศักดิ์ จากมหาวิทยาลัยมหิดล ผู้พัฒนาชิ้นส่วนภายในเครื่องอินเตอร์เฟอโรมิเตอร์ รุ่นที่ 3 และณัฐสินี กิจบุญชู เจ้าหน้าที่ประจำสถานีตรวจวัด เขตแฮนฟอร์ด กรุงวอชิงตัน สหรัฐอเมริกา
หลายคนคงเคยได้ยินคำว่า “แรงโน้มถ่วง” มาจนคุ้นเคย แต่คลื่นความโน้มถ่วงคืออะไร
คลื่นความโน้มถ่วง หรือ Gravitational wave เป็นคลื่นอีกชนิดหนึ่งที่แตกต่างจากคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ก่อนหน้านี้ อัลเบิร์ต ไอน์สไตน์ ได้ทำนายและสร้างทฤษฎีเกี่ยวกับคลื่นชนิดนี้ แต่ไม่มีการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้เลย โดยไอน์สไตน์ใช้ทฤษฎีสัมพันธภาพทั่วไป (General Relativity) ในการสร้างทฤษฎีนี้ขึ้นมา
ดังนั้น คลื่นความโน้มถ่วงคือมรดกอีกชิ้นหนึ่งจากอัจฉริยภาพของเขา คลื่นความโน้มถ่วงเป็นคลื่นของอวกาศและเวลาที่แพร่กระจายไปได้ทั่วเอกภพ
ในทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป อวกาศไม่ใช่พื้นที่ว่างเปล่าและแข็งกระด้าง หรือเป็นเพียงที่อยู่ของวัตถุอวกาศที่มนุษย์สำรวจพบโดยทั่วไปเท่านั้น แต่ในขณะเดียวกันพลังงานและสสารที่อยู่ในอวกาศก็กำหนดการบิดโค้งของเวลาและอวกาศด้วย
กล่าวอีกนัยหนึ่งคือ คลื่นความโน้มถ่วงคือระลอกความเปลี่ยนแปลงทางโครงสร้างของปริภูมิเวลาที่แผ่ออกไปในอวกาศคล้ายกับคลื่นแสง แต่คลื่นความโน้มถ่วงไม่ใช่แสง ไม่ใช่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า แม้จะเคลื่อนที่ด้วยความเร็วแสงก็ตาม
ทฤษฎีกลศาสตร์ของนิวตันกล่าวว่า มวลทำให้เกิดแรงโน้มถ่วง แรงโน้มถ่วงจากมวลใด ๆ จะมีผลถึงระยะอนันต์ในลักษณะสนามของแรงที่คงตัว แต่ทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไปของไอน์สไตน์อธิบายว่าความโน้มถ่วงไม่ใช่แรง แต่เป็นความบิดโค้งของปริภูมิเวลาที่เกิดจากมวล
เปรียบได้ว่า เรากำลังวางลูกเหล็กบนแผ่นยางที่ขึงตึง โดยแผ่นยางแทนโครงข่ายของปริภูมิเวลา มวลของลูกเหล็กทำให้แผ่นยางบุ๋มลงที่ตำแหน่งของมัน และดึงให้แผ่นยางบริเวณข้างเคียงบิดโค้ง
ในขณะเดียวกัน หากมีมวลอื่นผ่านเข้ามาใกล้ก็จะเบี่ยงเบนทิศทางตีโค้งเข้าหาลูกเหล็ก การเบี่ยงเบนนี้ไม่ได้เกิดจากลูกเหล็กดูด แต่เป็นเพราะไหลไปตามความลาดโค้งของแผ่นยาง
นอกจากนี้ยังอธิบายว่าอันตรกิริยาใด ๆ ในเอกภพย่อมเคลื่อนที่ด้วยความเร็วไม่เกินความเร็วแสง ความโน้มถ่วงจึงไม่ใช่สนามคงตัว หากแต่เป็นการแผ่ออกจากมวลโดยมีความเร็วจำกัด นั่นคือความเร็วแสง
ดังนั้น เมื่อวัตถุมีมวลกำลังเคลื่อนที่ ความบิดโค้งของปริภูมิเวลาก็จะเปลี่ยนแปลงไปโดยแผ่ออกจากมวลนั้น และหากการเคลื่อนที่เร็วพอ ความเปลี่ยนแปลงของความบิดโค้งก็จะปรากฏในลักษณะของระลอกคลื่นบนปริภูมิเวลาที่เดินทางแผ่ออกไปด้วยความเร็วแสง
คลื่นความโน้มถ่วงเกิดขึ้นได้อย่างไร
จากทฤษฎีข้างต้นที่กล่าวว่า มวลสารที่เคลื่อนที่ด้วยความเร่งจะปลดปล่อยคลื่นความโน้มถ่วง แต่ปัญหาคือ โดยส่วนใหญ่ คลื่นความโน้มถ่วงเป็นสัญญาณที่มีความเข้มน้อยมาก นักวิทยาศาสตร์จึงมักสนใจเหตุการณ์ที่มีความรุนแรงในจักรวาล ที่พวกเขาเชื่อว่าจะแผ่คลื่นความโน้มถ่วงที่สามารถตรวจจับได้ โดยเหตุการณ์รุนแรงที่อาจเป็นไปได้ แบ่งเป็น 3 กลุ่มใหญ่ๆ ได้แก่
1. การหมุนรอบตัวกันของดาวที่มีมวลมาก เช่น ระบบดาวคู่ เช่น ดาวนิวตรอนสองดวงหมุนรอบกัน หรือแม้แต่หลุมดำสองดวงที่หมุนรอบกัน เป็นต้น
2. การระเบิดรุนแรงในอวกาศ เช่น ซุปเปอร์โนวา การชนกันของดาว หรือหลุมดำ การเกิดหลุมดำ การระเบิดรังสีแกมม่า เป็นต้น
3. เหตุการณ์การกำเนิดเอกภพ หรือ Big Bang
เครื่องมือที่สามารถตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงได้ทำหน้าที่เป็นเสมือนหูฟัง เพื่อตรวจจับเสียงการสั่นสะเทือนของปริภูมิเวลาจากเหตุการณ์เหล่านั้น นักวิทยาศาสตร์ต้องใช้เครื่องวัดที่มีความละเอียดมากกว่าหนึ่งในพันล้านส่วนของขนาดอะตอมเพื่อที่จะตรวจจับคลื่นอ่อนแรงชนิดนี้ แต่ก็ล้มเหลวในช่วงหลายสิบปีก่อนการค้นพบในปี 2016
แม้ว่าการวัดคลื่นความโน้มถ่วงโดยตรงจะทำได้ยาก นักวิทยาศาสตร์ทั่วโลกต่างพยายามพิสูจน์ให้ได้ว่าคลื่นชนิดนี้มีอยู่จริง โดยใช้การตรวจวัดทางอ้อม เช่น การตรวจวัดพลังงานที่สูญเสียไปในระบบดาวคู่
ยกตัวอย่างเช่น การค้นพบของรัสเซลล์ ฮัลส์ และโจเซฟ เทย์เลอร์ ที่พบว่าดาวนิวตรอน 2 ดวง กำลังโคจรรอบกัน และตำแหน่งอยู่ใกล้กันมากจนมีคาบการโคจรที่น้อยประมาณ 0.06 วินาที ดาวนิวตรอนดวงหนึ่งในระบบนี้มีลักษณะเป็นดาวพัลซาร์ (pulsar) ซึ่งส่งคลื่นมาเหล็กไฟฟ้าออกมาด้วยคาบที่สม่ำเสมอ การวัดคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้านี้ทำให้นักวิทยาศาสตร์สามารถคำนวณคุณสมบัติต่างๆ ของระบบดาวคู่ได้อย่างแม่นยำ
ผลการติดตามและวัดคาบของระบบดาวคู่นี้เป็นระยะประมาณ 30 ปี พบว่า คาบการโคจรของมันลดลงอย่างต่อเนื่อง เพราะดาวดวงนี้ได้แผ่คลื่นความโน้มถ่วงออกมา
นักวิทยาศาสตร์พบว่า คาบการโคจรที่ลดลง สอดคล้องกับการคำนวณโดยทฤษฎีสัมพัทธภาพซึ่งการค้นพบนี้มีส่วนทำให้ รัสเซลล์ ฮัลส์ และโจเซฟ เทย์เลอร์ ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ ประจำปี 1993
จนกระทั่งปัจจุบัน โลกของเรามีหอสังเกตการณ์คลื่นความโน้มถ่วงที่ชื่อว่า LIGO
หอสังเกตการณ์ไลโก (LIGO — Laser Interferometry Gravitational-Wave Observatory) เป็นหอสังเกตการณ์ที่สร้างขึ้นเพื่อตรวจจับคลื่นแรงโน้มถ่วงโดยเฉพาะ มีลักษณะไม่เหมือนหอดูดาวทั่วไป โครงสร้างหลักเป็นท่อสุญญากาศสองท่อวางในแนวราบทำมุมฉากกันเป็นรูปตัวแอล (L) แต่ละท่อยาว 4 กิโลเมตร
ในการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วง ทางหอสังเกตการณ์จะยิงเลเซอร์อินฟราเรดเข้มข้นใส่ตัวแยกลำแสงเพื่อแยกเลเซอร์ออกเป็นสองทางไปตามปลายท่อทั้งสอง กระจกสะท้อนที่ปลายท่อจะสะท้อนเลเซอร์กลับไปยังตัวตรวจจับเพื่อรวมแสงสะท้อนจากทั้งสองทางเข้าด้วยกัน
ในภาวะปกติ แสงเลเซอร์ที่สะท้อนกลับมาซึ่งมีเฟสตรงข้ามกันจะหักล้างกันหมดสิ้น แต่หากระยะของท่อมีความเปลี่ยนแปลงเกิดขึ้นแม้เพียงเล็กน้อย จะทำให้เฟสของสัญญาณเหลื่อมกันและหักล้างกันไม่หมด เกิดสัญญาณลัพธ์ที่ตรวจวัดและนำไปวิเคราะห์ได้
ระบบของไลโกมีความไวสูงพอที่จะรับรู้ระยะห่างของท่อที่เปลี่ยนแปลงไปแม้เพียง 1 ใน 10,000 ของขนาดของโปรตอน ความไวที่สูงยิ่งยวดเช่นนี้จำเป็นสำหรับการตรวจจับคลื่นความโน้มถ่วงที่แผ่วเบา เมื่อคลื่นความโน้มถ่วงแผ่เข้ามายังโลกและผ่านท่อของไลโก ระยะของท่อจะยืดหดตามระลอกของปริภูมิเวลา
ปัจจัยรบกวนการตรวจวัดที่อาจเกิดขึ้นได้ เช่น ยานยนต์ที่วิ่งผ่าน หรือกิจกรรมทางธรณีวิทยา ทางผู้สร้างจึงเลือกตำแหน่งที่ตั้งหอสังเกตการณ์ LIGO ไว้สองแห่ง แห่งหนึ่งอยู่ในแฮนฟอร์ด รัฐวอชิงตัน อีกแห่งหนึ่งอยู่ห่างออกไปสามพันกิโลเมตรในลิฟวิงสตัน รัฐลุยเซียนา เพื่อตัดปัจจัยการรบกวนจากกิจกรรมของมนุษย์
หากเกิดปัจจัยรบกวนจากกิจกรรมของมนุษย์ที่เกิดขึ้นภายในโลก จะมีผลเพียงสถานีใดสถานีหนึ่ง หรือเกิดที่เวลาต่างกันมาก แต่ถ้ามีความเปลี่ยนแปลงระยะท่อเกิดขึ้นพร้อมกันทั้งสองแห่ง นั่นหมายความว่าต้นกำเนิดของคลื่นต้องมาจากนอกโลก
ความสำคัญของการค้นพบ
การค้นพบครั้งนี้ไม่ใช่เป็นการล้มล้างทฤษฎีเดิม แต่เป็นการยืนยันว่าทฤษีสัมพันธภาพทั่วไปนั้นถูกต้องแม่นยำ และใช้อธิบายพฤติกรรมของธรรมชาติได้ถูกต้องอีกด้วย การค้นพ้บว่าคลื่นชนิดนี้มีอยู่จริง เป็นการยืนยันให้นักวิทยาศาสตร์แน่ใจว่าทฤษฎีที่ตนอ้างอิงมาตลอดนั้นถูกต้อง นี่จึงไม่ใช่การปฏิวัติความคิดหรือยุคสมัย หากแต่เป็นการเปิดประตูบานใหม่ในการศึกษาอวกาศ การศึกษาคลื่นความโน้มถ่วงอาจเป็นอีกช่องทางหนึ่งในการศึกษาดวงดาว ที่อาจช่วยไขปัญหาลี้ลับบางอย่างที่อยู่นอกเหนือการศึกษาดาราศาสตร์ด้วยกล้องโทรทรรศน์
การค้นพบคลื่นความโน้มถ่วงเป็นเรื่องที่นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์คาดหวังเป็นอย่างมาก เนื่องจากเป็นเหมือนการเปิดประตูบานใหม่ให้นักฟิสิกส์ดาราศาสตร์ใช้เป็นทางเลือกเพื่อศึกษา หลุมดำ หนึ่งในวัตถุอวกาศที่ลึกลับที่สุด
ล่าสุดทีมนักวิทยาศาสตร์จากห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาของมหาวิทยาลัยพรินซ์ตัน (PPPL) ในสหรัฐฯ ได้เสนอวิธีการใหม่ที่ใช้คลื่นความโน้มถ่วง (gravitational wave) มาเป็นเครื่องมือในการค้นหาจุดกำเนิดและศึกษาเกี่ยวกับยุคแรกเริ่มของจักรวาล แทนการใช้แสงหรืออนุภาคของแสง (photon) ซึ่งยังไม่ถือกำเนิดขึ้นในช่วง “ยุคมืด” 380,000 ปีแรกหลังเหตุการณ์บิ๊กแบง
สืบค้นและเรียบเรียง ณภัทรดนัย
ข้อมูลอ้างอิง
https://www.ligo.caltech.edu/page/what-are-gw
https://spaceplace.nasa.gov/gravitational-waves/en/
https://thaiastro.nectec.or.th/library/article/gravitational-waves-ligo-first-discovery/
narit.or.th/index.php/astronomy-article/1197-grandma
https://spaceplace.nasa.gov/gravitational-waves/en/
https://www.bbc.com/thai/articles/c8v6vj8gqreo
